無線自組織網絡MAC協議研究綜述

宋佳　門宇博　雷丹丹　劉庸民

摘要：隨著數據鏈需求的不斷擴展和多點協同應用的興起，使得無線自組織網絡技術成為了數據鏈領域的研究熱點。無線自組網利用無線多跳方式完成節點間的相互通信，不依賴于任何固定設施，具有自組織和自管理的特性。本文首先介紹無線自組織網絡的概念、特點和相關應用;然后重點介紹自組網技術中MAC層協議的發展和研究情況;最后指出無線自組網技術中MAC層協議面臨的問題和未來的挑戰。

關鍵詞：無線網絡;節點通信;自組織;MAC層協議

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）06-0031-03

0 引言

無線自組織網絡作為分布式多跳通信網絡，由多個無線收發設備組成。在自組織網絡中沒有物理意義上的中心節點，使得自組織網絡具有臨時性，以及能夠在任何時間和地點都能迅速構建的特點，自組網在構建過程中不需要地面固定網絡設施的支持[1]。在自組織網絡中的每個節點終端均可以自由移動，并且每個節點在網絡中的地位相等。

無線自組網與固定網絡相比具有如下特點：1）自組網中節點具有移動性：任意節點既可以在網絡中隨意自由移動，也可以多個節點以編隊的形式進行有規律的移動，在沒有無線連接和安全限制下，節點可自由通信。2）網絡拓撲結構具有動態性：由于自組網中的節點是隨意自由移動的，必然會導致網絡拓撲結構的變化具有動態性，即會發生迅速、隨機以及不可預測地變化[2]。3）網絡分布式特性：由于無線自組織網絡中不存在中心節點，因此網絡的控制和管理功能由網絡中的普通節點分布式的實現。網絡中的普通節點均具有成為路由節點和中繼節點的潛力。4）數據速率限制：由于自組織網絡使用的是無線信道，受限于無線信道的網絡容量，因此自組織網絡中的數據傳輸速率有限。5）移動終端限制：在無線自組織網絡中，終端設備的體積和功率較小，并且設備的處理能力較弱，移動終端受限提高了自組網的設計和應用的難度。6）物理安全限制：由于自組網中不存在專門的路由節點，因此容易受到網絡攻擊。同時節點間以廣播形式的通信鏈路會被多個會話所共享，導致信道誤碼率的增加。

基于自組網的以上特點，無線自組網具有網絡靈活、節點移動性強、節點易展開、體抗毀能力強等優點。它們為無線自組網在民用和軍事通信領域的發展提供了有利的保證。無線自組網的應用主要有以下幾個方面： 1）軍事需求：由于無線自組網的構建過程中不需要固定地面設備，且網絡具有較強的抗毀特性，使得無線自組網技術無論在戰場語音通信還是武器的視頻圖像數據傳輸方面都成為關鍵技術核心。目前美軍走在世界軍事通信領域的前列，如美軍的數字電臺（NTDRP）和無線互聯網控制器（RNC）等主要通信裝備都使用了無線自組網技術[3]。2）應對緊急和突發事件：已有的固定通信網絡設施可能會由于地震、火災、洪水等突發緊急事件而遭受不同程度的破壞，使固定通信網絡無法正常工作。在災情發生時，自組網的優勢能夠為災區通信提供有力支持。災情發生后，災區便能夠及時恢復與外界的聯系，為搶險和救災工作提供有力保障[4]。3）個人和商業通信應用：無線自組網技術可以用于個人通信設備（手機、筆記本電腦等）的無縫信息傳遞。由于個人網絡通信設備的無線發射功率較小，此時自組網中節點路由的多跳性能夠增強網絡數據傳輸的穩定性，并減少網絡的復雜程度。未來由于5G的興起，使得無線自組網技術在商業應用上具有較為寬廣的應用前景，包括遠程醫療服務、車載網絡實時互聯等方面。

與傳統的固定網絡相比，無線自組織網絡具有更好的應用前景。但為了使無線自組網技術能夠在上述的實際應用得以發展，依然需要解決很多的技術性問題。本文主要對自組網中MAC層協議的發展和研究進行針對性的綜述性介紹。

1 MAC層協議介紹

MAC層協議主要提供節點的信道接入機制，從而保證節點間的通信互不干擾，以一種高效率方式共享有限的無線帶寬資源。目前應用于無線網絡中的MAC層協議大致分為競爭類MAC層協議和分配類MAC層協議。

1.1 CSMA/CA協議

CSMA/CA協議作為傳統CSMA協議的擴展是目前常用的競爭類MAC層協議，屬于異步通信模式下的競爭類協議。在CSMA/CA協議中包括：（1）RTS/CTS機制來減少隱藏終端帶來的影響;（2）二進制指數退避算法（BEB）以減少信息連續沖突的可能性[5]。假設網絡的拓撲環境如圖1。

在圖1中存在一個信息接收節點（STAS）和兩個信息發送節點（STAF1與STAF2）。當STAF1與STAF2同時向STAS發送數據，會導致在STAS處發生通信沖突，從而導致信息傳輸失敗。為了避免沖突發生，CSMA/CA協議提供的具體工作機制如圖2所示。

當任意節點存在信息需要發送時，則該節點會對信道進行載波監聽，若此時信道空閑則進行回退計數。每一次回退時間均為單位時隙時間（Slot Time），當回退計數為0時，則該節點獲得當前信道的訪問權，可以向其它節點發送信息。在圖2（a）中，STA2的回退計數優先置0，此時向STA0發送數據包（PACKET A）。在STA0接收到PACKET A后對數據進行校驗解析，若通過則經過短幀間間隔（SIFS）后向STA2節點反饋確認信息幀（ACK）。在STA 2成功接收到確認信息幀之后，PACKET A的傳輸完成。由于STA 1在本次競爭中沒有競爭到信道，為了保證網絡傳輸的公平性，那么其在下一次的回退計數過程中，直接繼續上次回退計數繼續回退。在圖2（b）中，雖然STA2的回退計數優先置0，但STA0未能向STA2反饋確認信息幀，此時STA2需要利用二進制指數退避算法（BEB）重新計算初始回退計數的值，再次對信道進行競爭。

在CSMA/CA協議中，引入了RTS/CTS機制解決網絡中可能存在的隱藏終端問題。RTS和CTS幀都是一個廣播幀，其中RTS包含后續發送過程所需的時間。CTS包含除去RTS以及一個SIFS時間后的發送過程所需時間。RTS/CTS工作機制對應的時序圖如圖3所示。

在圖3中，STAF2的回退計數優先置0，其首先發送RTS數據幀給STAS。若在STAS處沒有沖突，STAS會在等待SIFS時間后廣播發送CTS幀。當STAF1解析該CTS信息后，知曉該CTS不是STA1發送的RTS所請求所獲得的。從而STAF1會提出CTS中的發送過程總體所需時間，并在本地NAV上設置該時間進行倒數。在未倒數至0之前，其隨機回退計數值都講不再繼續回退技術。當STAF2接收到CTS后，已知信道空閑進行發送數據。在數據發送完成后，節點STAS向STAF2反饋ACK信息，最終完成一次數據傳輸。

1.2 FPRP協議介紹

由于無線自組織網絡對網絡靈活性、誤碼率和信道利用率等要求的不斷提高，使得動態分配類的MAC層協議也成為主要應用于無線自組網中的主要MAC層協議之一。五次握手協議（Five-Phase Reservation Protocol，FPRP）[6]是具有代表性的動態分配MAC協議之一。利用五步預留過程來建立基于TDMA的動態時隙分配，降低動態TDMA的時隙沖突。與其它基于動態TDMA的協議不同，FPRP協議的預約過程不僅僅局限于每個時幀開始階段的控制時隙，而是允許在時幀中的任何時隙同時進行預約工作，預約的過程不受控制時隙的制約。FPRP協議的幀結構如圖4所示。

五次握手的基本過程如下：

（1）在預留請求階段（RR），需要預約發送時隙的節點以設定概率發送預約請求分組信息，不需要預約的節點則在這段時間監聽信道，獲取預約節點的預約分組信息。

（2）在沖突報告階段（CR），當節點在監聽過程中收到多個預約分組信息時，發送一個沖突信息，當只收到一個預約分組信息時則保持沉默。若需要預約發送時隙的節點未收到沖突信息，則預約發送時隙的節點可以預約發送時隙。

（3）在預留證實階段（RC），預約被建立。預約節點在這一階段發送預留證實信息，其相鄰節點在收到預留證實信息后均知曉該時隙已被預約，從而不再對該時隙進行預約競爭。

（4）在預留確認階段（RA），預約節點將最新預約信息發送給兩跳范圍內的相鄰節點。

（5）在填充和撤銷階段（P/E），由預約節點在兩跳范圍內的相鄰節點發送預約請求分組信息至預約節點三跳范圍內的節點，從而增加節點預約效率，加速收斂;撤銷分組信息可用于消除網絡中可能存在的非孤立死鎖問題。

FPRP協議的優勢在于其對網絡規模的敏感度較弱，因此該協議普遍用于規模較大和動態變化較為強烈的自組織網絡。同時FPRP協議在五次握手中的沖突報告階段可以有效檢測兩個隱藏終端的信息碰撞，兩個碰撞節點收到相鄰節點的沖突信息即可停止信息碰撞，從而避免了基于TDMA的MAC層協議的網絡中存在隱藏終端導致信息碰撞的問題。

2 MAC層協議發展的展望

本文對無線自組網中典型的MAC層協議進行了簡要介紹，后續面對無線通信需求的不斷擴大，在MAC層協議研究中可以對以下四個方面進行更加深入的探討。首先在實際應用中，無線自組織網絡所處環境和系統本身是復雜多變的，目前針對不同的應用場景和環境，需設計不同的MAC層協議進行網絡節點的訪問接入控制，為了得到滿足實際應用需求的MAC層協議的性能結論，需要在網絡仿真過程中加入符合實際場景和環境情況的網絡模型，例如無線信道模型、節點移動模型等。其次在對基于TDMA的動態時隙分配算法的研究中，對于拓撲透明特性的研究具有一定的優勢，但同時動態TDMA在面對復雜網絡環境和拓撲結構時網絡的吞吐量較小，因此在未來的研究中，如何提高基于動態TDMA的MAC層協議網絡吞吐量成為動態分配MAC層協議的關鍵。再次，隨著數據信息類型的不斷擴展，單一數據類型的傳輸已經不能滿足于如今的軍事或民事需求，因此需要對針對多類型、多優先級數據的MAC層協議進行研究，在保證數據信息能夠按需收發的同時，保證高優先級數據的低時延性能。最后，隨著對自組網中物理層編碼技術和傳輸體制、MAC層的調度算法、網絡層的路由協議、應用層的自適應機制等研究力度的增大，就越容易發現單獨各層性能的局限性。在研究各層體制和協議時，不但要確保網絡整體設計滿足要求，同時還要將各層級的體制和協議相互關聯，避免物理層、MAC層、網絡層和應用層體制的獨立研究。因此為了使MAC層協議在滿足網絡要求的同時擁有較強的時延和吞吐量等網絡性能，在進行MAC層協議設計時也需要對網絡層和物理層相關的協議和體系進行設計和配置，利用跨層設計的思路提高網絡系統的整體性能。

參考文獻

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[6] 楊雙懋，郭偉，蘇儉.基于FPRP的無線自組織網的MAC協議[J].計算機應用研究，2008，25（1）：68-70.

Review of MAC Protocols in Wireless Ad Hoc Network

SONG Jia，MEN Yu-bo，LEI Dan-dan，LIU Yong-min

（Space Star Technology Co.，Ltd（503），Beijing? 100086）

Abstract：The self-organized network technology has became the research hotspot in the field of Link， with the continuous expansion of the requirements of Link and the rise of multi-point collaborative applications. The self-organized network which uses multi-hop mode to complete the nodes communication without any fixed facilities has self-organization and self-management. This paper introduces the concept， feature and relevant applications firstly. Then the development and research of MAC protocol are introduced in detail. Finally， it points out the problems and future challenges on MAC protocol.

Key words：Wireless Network;Node Communication;Self-organized;MAC Protocol